CN103346039A - 一种用辅助电极击穿来带电检测真空断路器真空度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用辅助电极击穿来带电检测真空断路器真空度的方法，所述真空断路器包括上出线杆、扭转保护环、波纹管、屏蔽罩、动触头、静触头、下出线杆和绝缘外壳，所述方法包括以下步骤：（a）在所述屏蔽罩和所述绝缘外壳之间设置用于检测真空度的辅助电极，所述辅助电极设置在所述绝缘外壳内侧，其一端与所述屏蔽罩之间相隔一定间隙距离；（b）将所述辅助电极和所述屏蔽罩引出到所述真空断路器的外部；（c）将所述辅助电极和所述屏蔽罩引出后接入到检测回路中，并通过施加冲击电压以测试二者之间的击穿情况，若击穿，则所述真空断路器的真空度不满足要求，若未击穿，则所述真空断路器的真空度满足要求。

Description

一种用辅助电极击穿来带电检测真空断路器真空度的方法

技术领域

本发明涉及真空断路器检测领域。具体而言，本发明涉及一种利用辅助电极击穿来带电检测真空断路器真空度的方法和应用该方法的系统。

背景技术

真空断路器是近年来发展起来的一种高压开关，在电力、化工、冶金、矿山等行业中得到广泛应用。真空断路器的灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空，由于体积小、重量轻、环境污染小、开断容量大、灭弧性能好、适合频繁操作、运行维护简便、可靠性高、机械和电寿命长等优点在电力系统中得到广泛的应用。尤其在6～35kV电压等级的配电网中占据了主导地位。

真空断路器作为电力系统重要的控制和保护电器，如其存在故障或缺陷则不仅起不到保护和控制作用，严重时还会影响其它设备的运行甚至酿成事故。真空断路器是以真空作为绝缘和灭弧手段的断路器，因此，真空度直接影响真空断路器的性能。所以，对真空断路器进行定期或不定期的真空度检测，及时发现故障先兆，对真空断路器乃至整个系统的安全和可靠运行都有十分重要的意义。

“真空度”是指在某一特定的空间内低于1个标准大气压的气体状态。“真空”实质上是指在特定的空间内气体稀薄程度的一种物理状态，并用真空度即气体压强来表示这种物理状态，所以真空度实质上与气体压力是同一物理概念。真空度越高，气体压力越小，反之真空度越低，即气体压力越大。

真空断路器在运行一段时间后，由于受制造质量、生产工艺、运输、保管、安装、运行过程和现场使用环境等诸多因素的影响，真空灭弧室的真空度会逐渐降低，当其真空度降到一定数值时将会影响其开断能力和耐压水平。

现有技术中测量真空度的主要方法是做耐压试验。但这种方法只能是离线试验。具体地，将真空开关的灭弧室两触头拉至额定开距,即真空断路器处于开断状态下,在动静触头之间施加额定试验电压,如果真空灭弧室内发出连续击穿或持续放电,表明真空度已严重降低,否则表明真空度符合要求。由此判断真空灭弧室真空度是否劣化。

由于目前用于真空断路器真空度的检验缺乏带电在线检测的方法，使得只能对真空断路器进行停电检修。这样对电力系统的可靠性运行带来了极大的威胁。因为对于现在的真空断路器来说，当真空度下降以后不会影响电力系统的正常运行，但是在要开断故障电流的时候，下降后的真空度会使得电弧难以熄灭。经过试验得知当气压高于1.33×10^-2Pa时，电弧则难以熄灭。针对这种情况，我们就需要实现对真空断路器真空度的带电检测。

因此，需要一种对真空断路器的真空度进行在线带电检测的方法，可以有效地检测到真空断路器的真空度，同时不影响电力系统的正常运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用辅助电极击穿来带电检测真空断路器真空度的方法，所述真空断路器包括上出线杆、扭转保护环、波纹管、屏蔽罩、动触头、静触头、下出线杆和绝缘外壳，所述方法包括以下步骤：（a）在所述屏蔽罩和所述绝缘外壳之间设置用于检测真空度的辅助电极，所述辅助电极设置在所述绝缘外壳内侧，其一端与所述屏蔽罩之间相隔一定间隙距离；（b）将所述辅助电极和所述屏蔽罩引出到所述真空断路器的外部；（c）将所述辅助电极和所述屏蔽罩引出后接入到检测回路中，并通过施加冲击电压以测试二者之间的击穿情况，若击穿，则所述真空断路器的真空度不满足要求，若未击穿，则所述真空断路器的真空度满足要求。

优选地，所述间隙距离为0.1mm～2mm之间。

优选地，所述间隙距离为0.1mm。

优选地，所述冲击电压是通过冲击电压发生电路施加的，所述冲击电压发生电路包括直流电源，与直流电源串联连接的电阻和第一电容，所述第一电容再并联由串联连接的第一开关、电感和继电器构成的回路。

优选地，所述继电器包括第三开关来控制由报警器和报警器用电源组成的报警回路。

优选地，当所述真空断路器的真空度不满足要求时，触发所述报警器进行报警。

优选地，所述辅助电极的材料选自铅、银、锡、锌、钨中的任意一种。

优选地，所述辅助电极靠近所述屏蔽罩的一端为尖端形状。

根本本发明的另一方面，提供了一种用辅助电极击穿来带电检测真空断路器真空度的系统，所述系统包括真空断路器和检测回路，其中，所述真空断路器包括上出线杆、扭转保护环、波纹管、屏蔽罩、动触头、静触头、下出线杆、绝缘外壳、以及设置在所述屏蔽罩和所述绝缘外壳之间的用于检测真空度的辅助电极，所述辅助电极设置在所述绝缘外壳内侧，其一端与所述屏蔽罩之间相隔一定间隙距离，所述辅助电极和所述屏蔽罩引出到所述真空断路器的外部；所述检测回路包括冲击电压发生电路、由引出的所述辅助电极和所述屏蔽罩构成的极板部分和报警回路，其中所述冲击电压发生电路包括直流电源、与直流电源串联连接的电阻和第一电容，所述第一电容再并联由串联连接的第一开关、电感和继电器构成的回路，所述冲击电压发生电路为所述极板部分施加冲击电压以检测其是否被击穿；所述报警回路包括报警器和报警器用电源，通过所述继电器包含的第三开关来控制，当所述极板部分被击穿，则所述报警器发出报警信号。

优选地，所述辅助电极的材料选自铅、银、锡、锌、钨中的任意一种。

根据本发明的利用辅助电极击穿来带电检测真空断路器真空度的方法，可以对真空断路器的真空度进行在线带电检测，在不影响电力系统的正常运行，快速有效地检测真空断路器的真空度，从而可以及时发现故障先兆，保障了真空断路器乃至整个系统的安全和可靠运行。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

结合附图详细描述了本发明的上述和其他方面，附图中：

图1为采用应用本发明的真空度检测方法的真空断路器结构剖视图；

图2为根据本发明的真空度检测回路的电路图。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

根据本发明的真空度检测方法，在真空断路器内部放置一个电极并配合以检测电路来检测真空断路器的真空度状态。通过检测电路向该电极施加冲击电流，如果电极未被击穿，则说明真空断路器性能优良，真空度符合要求，未发生气体泄漏；如果真空断路器内部出现气体泄漏使得压强增加，则电极会被击穿。通过在检测电路中设置相应的检测开关和报警装置来反应检测的结果。这样可以在不停运断路器的情况下来检测其真空度。

真空断路器的真空度与击穿电压呈线性相关，且在一定压强范围内，即10^-2Pa～1Pa呈正相关，即真空度越高，击穿电压越高。但是如果真空断路器中混入气体，使得断路器内气体压力增加，那么在同样条件下，击穿电压便会降低。气体压强在小于1.33×10^-2Pa时，击穿电压不会发生太大的变化，但是若压强继续增加则击穿电压变化发生下降。当压力在1.33×10^-1Pa～1.33Pa时急剧下降。这个时候就已经会引发严重的安全隐患。根据电力行业标准（中华人民共和国电力行业标准:12～40.5kV高压真空断路器订货技术条件(DL/T403-2000)[S].），真空断路器的真空度要满足真空灭弧室的绝缘强度要求，即真空度不得大于6.6×10^-2Pa。本发明设计的真空断路器真空度检测方法即应用于这一标准要求。

图1示出了应用本发明的真空断路器真空度检测方法的真空断路器结构剖视图。如图1所示，应用本发明的真空断路器100包括上出线杆101、扭转保护环102、波纹管103、屏蔽罩104、动触头105、静触头106、下出线杆107和绝缘外壳108。在屏蔽罩104和绝缘外壳108的之间设置有用于检测真空度的辅助电极109。辅助电极109与屏蔽罩104之间的间隙距离为d。利用屏蔽罩104作为电极的一个极板，辅助电极109作为另一极板，分别将其引出到真空断路器100的外部，如图1中的A、B所示，然后通过检测电路测量A、B之间的击穿情况，从而检测真空断路器100的真空度。根据本发明的设置使得屏蔽罩104不是高电位，因此辅助电极109的设置不会对真空断路器原来的电场分布产生影响。

辅助电极109优选通过其一端安装在真空断路器100的外壳108的内侧，沿切面向屏蔽罩104延伸。辅助电极109的另一端距离屏蔽罩104具有一定的间隙距离d。将导线分别接辅助电极109的一端和屏蔽罩104上，然后引出到真空断路器100的外部，如图1中的A和B即为引出导线。

辅助电极109的形状优选为靠近屏蔽罩104的一端是尖端形的，也可以为平板形状或其他形状的。如果是尖端形状的，则辅助电极109和屏蔽罩104之间容易构成极不均匀电场，而如果是平板形状则构成较均匀电场，极不均匀电场的击穿电压要远远小于较均匀电压，因此可以降低击穿电压，更便于制造冲击电压发生电路。

为了降低击穿所需要的电压以便于测量，根据本发明的辅助电极109优选用铅材料来制作。还可以采用其他易于被击穿的材料，例如银、锡、锌、钨等等。辅助电极109的材料选择可以根据真空度的标准以及设置间隙的距离d来选择。以辅助电极109与屏蔽罩104之间为1mm间隙为例，铅的击穿电压21kV，银的击穿电压为27kV，锡的击穿电压为30kV，锌的击穿电压为35kV，均可作为本发明的辅助电极109的材料。可以理解的是，这里的材料选择只是示例性的，可根据材料的硬度和击穿电压的大小选择任意适合的材料。

辅助电极109与屏蔽罩104之间的间隙距离d是根据辅助电极109的材料击穿电压来选择的。间隙越小，击穿电压越低，越容易产生冲击电压（冲击电压的产生将在下文参考图2进行描述）。但是如果间隙过小到达一定程度后，会使得辅助电极的制作工艺难度变化加大，反而增加检测的成本。优选地，辅助电极109与屏蔽罩104之间的间隙距离d可以选择在0.1mm～2mm之间，优选为0.1mm。

在图1所示的真空断路器中安装了辅助电极并与屏蔽罩引出后，将引出的电极接入根据本发明的检测回路中进行检测。检测回路如图2所示。根据本发明的检测回路200包括冲击电压发生电路、极板部分和报警回路。

根据本发明的冲击电压发生电路基于RLC串联电路振荡放电的原理。如图2所示，冲击电压发生电路包括直流电源U，以及与直流电源U串联连接的电阻R和第一电容C0，第一电容C0再并联由串联连接的第一开关K1、电感L和继电器RE构成的回路。将图1中的辅助电极（图1中的B点）和屏蔽罩构成的平板电极（图1中的A点）分别引出构成检测回路200中的极板部分，即第二电容C1作为辅助电极和屏蔽罩的等效电容。第二电容C1两端并联常闭的第二开关K2。继电器RE包括第三开关K3来控制由报警器L和报警器用电源U_L组成的报警回路。如果真空断路器的真空度满足要求，则通过冲击电压发生电路施加到辅助电极和屏蔽罩之间的冲击电压不会导致辅助电极击穿，即由第一开关K1、电感L、第二电容C1和第三开关K3构成的回路中没有电流流过，继电器RE则不会动作。如果真空度不满足要求，击穿电压会下降，通过冲击电压发生电路施加到辅助电极和屏蔽罩之间的冲击电压会导致辅助电极击穿，造成等效电容C1短路，从而继电器的第三开关K3中便会有大电流流过，促使继电器RE动作，闭合报警回路，触发报警器L工作。

在图2中通过冲击电压发生电路施加到辅助电极和屏蔽罩之间的冲击电压可以根据辅助电极的材料以及辅助电极与屏蔽罩之间的间隙来选择。以铅作为辅助电极为例，由于击穿电压与间隙的长度成正比，所以0.1mm的铅电极击穿电压为0.8333kV，考虑到脉冲击穿电压要略大于工频击穿电压，所以可以设计脉冲冲击电压为1kV。另外，由于屏蔽罩表面是弧形而不是一个平板，增加了电场的不均匀度，而且屏蔽罩并不是完全光滑的，表面尖刺也使得击穿电压下降，这也使得设计的脉冲冲击电压比理论击穿电压要高一些。

根据本发明的检测回路的工作过程如下。在检测回路不工作的时候第一开关K1断开，第二开关K2闭合，直流电源U向第一电容C0充电。在需要检测的时候闭合开关K1，直流电源U、电感L，开关K2构成回路。由于该回路中没有电阻，所以电感的时间常数极短，电路能很快进入稳定状态，而后断开开关K2，电路中的能量在电感L与等效第二电容C1之间转化，由RLC振荡电路产生的冲击电压加在辅助电极和屏蔽罩（平板电极）构成的等效第二电容C1上。如果真空断路器的真空度良好，则辅助电极和屏蔽罩（即第二电容C1）不会击穿。继电器RE上不会流过大电流，这样第三开关K3也就不会动作，报警器L不会被触发报警。如果真空度下降，则辅助电极和屏蔽罩（即第二电容C1）发生击穿，继电器RE上流过很大的电流促使第三开关K3动作即闭合，报警器L接通发出报警信号。这样就可以以此判断辅助电极和屏蔽罩间是否发生击穿，从而了解真空断路器内的真空度是否满足要求。最后断开电源开关K1完成测试过程。

脉冲信号的幅值根据下面的公式1得到，即

$U=\sqrt{\frac{L}{C_1}}---\left(1\right)$

此处L是电感L的电感大小，C1是所测量的等效第二电容C1的电容值，由此计算出加在辅助电极上（即第二电容C1上）的冲击电压。根据辅助电极的材料性质，选择适当的电路元器件值，可以得到相应的辅助电极冲击电压。

示例性地，根据本发明的检测回路可以采取如下具体参数值。直流电源U采用10V锂电池，电阻R的阻值为10Ω，第一电容C0的电容值为3800μF，第二电容C1的电容值测量得到约为1nF，电感L的电感值为1mH。在不工作的时候开关K1断开，K2闭合，直流电源向C0充电，电容上的电压为1V。需要检测的时候闭合开关K1，直流电源U、电感L，开关K2构成回路，根据欧姆定律电流为1A。待电路稳定后断开开关K2，电路中的能量在L与C1之间转化。根据上面的公式1，此处L的单位为H，C1的单位为F，计算出加在辅助电极上的冲击电压为1kV。

图2的电路中的报警器L优选采用信号灯，例如LED发光二极管，也可采用其他形式的报警方式，例如声音报警器、电信号报警器等等。

可选地，在检测回路中还可以将高压脉冲发生方式替代为交流高压或者直流高压。交流高压可以采用变压器升压的方法来实现，而直流高压可以使用整流电路来实现，同样可以实现根据本发明的检测回路的功能。

根据本发明的真空度检测方法简单易行，由于击穿的发生非常灵敏，因此无需任何传感器、放大器等对信号进行放大，使得本发明的检测方法和系统极具成本优势。另外，根据本发明的检测方法便于操作，只在需要检测的时候闭合开关，即可产生高压脉冲信号，不需要检测的时候断开，不会对真空断路器产生任何影响。此外，检测时间不超过1分钟，对设备影响非常小。由于对真空短路器的真空度检测频率并不是很高（一般每年对真空断路器进行1至2次检测），因此采用本发明的真空度检测方法简单易行，且不操作时不带来任何能耗和影响，具有环保效益。

根据本发明的利用辅助电极击穿来带电检测真空断路器真空度的方法，可以对真空断路器的真空度进行在线带电检测，在不影响电力系统的正常运行，快速有效地检测真空断路器的真空度，从而可以及时发现故障先兆，保障了真空断路器乃至整个系统的安全和可靠运行。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是显而易见的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种用辅助电极击穿来带电检测真空断路器真空度的方法，所述真空断路器包括上出线杆、扭转保护环、波纹管、屏蔽罩、动触头、静触头、下出线杆和绝缘外壳，所述方法包括以下步骤：

（a）在所述屏蔽罩和所述绝缘外壳之间设置用于检测真空度的辅助电极，所述辅助电极设置在所述绝缘外壳内侧，其一端与所述屏蔽罩之间相隔一定间隙距离；

（b）将所述辅助电极和所述屏蔽罩引出到所述真空断路器的外部；

（c）将所述辅助电极和所述屏蔽罩引出后接入到检测回路中，并通过施加冲击电压以测试二者之间的击穿情况，若击穿，则所述真空断路器的真空度不满足要求，若未击穿，则所述真空断路器的真空度满足要求。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述间隙距离为0.1mm～2mm之间。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述间隙距离为0.1mm。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述冲击电压是通过冲击电压发生电路施加的，所述冲击电压发生电路包括直流电源，与直流电源串联连接的电阻和第一电容，所述第一电容再并联由串联连接的第一开关、电感和继电器构成的回路。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述继电器包括第三开关来控制由报警器和报警器用电源组成的报警回路。

6.如权利要求5所述的方法，其中当所述真空断路器的真空度不满足要求时，触发所述报警器进行报警。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述辅助电极的材料选自铅、银、锡、锌、钨中的任意一种。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述辅助电极靠近所述屏蔽罩的一端为尖端形状。

9.一种用辅助电极击穿来带电检测真空断路器真空度的系统，所述系统包括真空断路器和检测回路，其中，

所述真空断路器包括上出线杆、扭转保护环、波纹管、屏蔽罩、动触头、静触头、下出线杆、绝缘外壳、以及设置在所述屏蔽罩和所述绝缘外壳之间的用于检测真空度的辅助电极，所述辅助电极设置在所述绝缘外壳内侧，其一端与所述屏蔽罩之间相隔一定间隙距离，所述辅助电极和所述屏蔽罩引出到所述真空断路器的外部；

所述检测回路包括冲击电压发生电路、由引出的所述辅助电极和所述屏蔽罩构成的极板部分和报警回路，其中

所述冲击电压发生电路包括直流电源、与直流电源串联连接的

电阻和第一电容，所述第一电容再并联由串联连接的第一开关、电

感和继电器构成的回路，所述冲击电压发生电路为所述极板部分施

加冲击电压以检测其是否被击穿；

所述报警回路包括报警器和报警器用电源，通过所述继电器包

含的第三开关来控制，当所述极板部分被击穿，则所述报警器发出

报警信号。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述辅助电极的材料选自铅、银、锡、锌、钨中的任意一种。

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